Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №10

Новый принцип имитации деструктивного воздействия сверхмощных электромагнитных импульсов на электронную аппаратуру через кабельные линии

Булеков Владимир  
Резников Станислав  
Болдырев Вячеслав  
Диканова Людмила  
Бочаров Владимир  
Милославский Александр  

В качестве наиболее эффективного принципа компактной, экономичной и малотрудоемкой имитации деструктивного воздействия сверхмощных ЭМИ (СЭМИ) авторы предлагают использовать новый принцип «интегрального импульса», основанный на эквивалентной по результату замене реального СЭМИ последовательностью из нескольких менее мощных подобных индукционных ЭМИ с энергией, превышающей критический уровень начального необратимого разрушения микроструктур исследуемых электронных объектов.

Современные технологии и средства коммуникации основаны на устройствах электроэнергетики и электроники, содержащих многочисленные кабельные линии и антенны, которые весьма уязвимы для электромагнитных помех и мощных импульсных возмущений, вызывающих сбои, отказы и даже разрушения электротехнических комплексов.

Электромагнитные импульсы (ЭМИ), способные индуцировать в кабельных линиях и антеннах ЭДС и токи, превышающие допустимые значения и вызывающие необратимые разрушения в элементах электронного оборудования, принято выделять как сверхмощные (СЭМИ). К источникам их генерации наиболее часто относят молнии, ядерные взрывы (ЯВ) и «электромагнитные бомбы» («Е-бомбы»).

Источники генерации сверхмощных индукционных ЭМИ в кабельных линиях

ЭМИ молнии

Практически все стационарные и транспортные электроэнергетические и информационно-управляющие комплексы в той или иной степени могут быть подвержены воздействию сверхмощных электромагнитных импульсов, создаваемых молнией. Ежесекундно на земном шаре происходит около 100 ударов молнии. Для нашей страны среднее число ударов молнии в 1 км² поверхности земли за 100 грозовых часов составляет 6,71 [1, 2]. Каждый гражданский самолет в процессе эксплуатации подвергается в среднем одному разряду молнии [3]. Фирма «Боинг» провела исследования методов защиты элементов систем электроснабжения самолетов, вертолетов и крылатых ракет: силовых приводов систем управления, генераторов, циклоконверторов и др. [3]. По ее данным, отсутствие каких-либо средств защиты может привести к возникновению в указанных элементах бросков напряжения и тока до нескольких десятков киловольт и килоампер при длительности в несколько микросекунд и, вследствие этого, к серьезному повреждению систем.

Влияние грозы на электрические установки можно определить двумя параметрами: значением пикового тока (приблизительно 250 кА) и максимальной скоростью изменения тока (приблизительно 30–100 кА/мкс), влияющей на наведение напряжения (до 200 кВ) в проводящих контурах вокруг канала тока разряда молнии. Электрическая составляющая ЭМИ молнии Em ≈ 40 кВ/м, а магнитная составляющая Hm = 160 А/м на расстоянии 100 м от молнии. Время нарастания находится в пределах 200–500 нс [4]. Наибольшие значения амплитуд в спектре ЭМИ молнии соответствуют частотам 0,3–20 кГц, а ЭМИ разрядов между облаками (без обратного разряда): 0,1–10 МГц. Из этого следует актуальность прогнозирования (предсказания) и диагностики (измерения параметров) ЭМИ молний в целях ускорения принятия решения по защите от них. Однако не менее актуальным является разработка средств имитации ЭМИ молнии вблизи кабельных линий, например, самолетных жгутов, и их использование на стадиях испытаний оборудования.

ЭМИ ядерных взрывов и «электромагнитной бомбы» («Е-бомбы»)

Наибольшую опасность, как по степени поражения, так и по области активного воздействия, для объектов электрорадиосвязи представляют стратосферные (10–60 км) и ионосферные (60–500 км) ядерные взрывы [5]. Применение электромагнитного оружия высокой мощности в основном ориентируется на высоты до 50 км.

Ключевыми технологиями, применяемыми при создании «электромагнитной бомбы» («Е-бомбы»), являются: генераторы со сжатием магнитного потока при помощи взрывчатки, а также работающие на взрывчатке или пороховом заряде магнитогидродинамические генераторы и целый набор микроволновых устройств высокой мощности [6–8].

Известным видом микроволнового оружия является так называемый взрывной генератор с сжатием магнитного потока («FC-генератор»). В настоящее время удалось довести пиковую мощность «FC-генераторов» до десятков тераватт. Анализ публикаций позволяет выявить типовые параметры ЭМИ «FC-генератора»:

Другим видом электромагнитного оружия являются микроволновые генераторы с виртуальным катодом — виркаторы. Экспериментально от виркаторов получены мощности от 170 кВт до 40 ГВт в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Американский образец оружия данного класса под условным названием MPS-II использует зеркальную антенну диаметром 3 м. Он развивает импульсную мощность около 1 ГВт (напряжение 265 кВ, ток 3,5 кА). При напряженности поля в несколько киловольт на метр он вызывает напряжение от сотен вольт до киловольт на облученных проводах и кабелях.

Обобщенные параметры СЭМИ, рекомендуемые для имитации:

Новый принцип имитации деструктивного воздействия СЭМИ через кабельные линии — принцип «интегрального импульса»

Помимо сложности теоретических исследований в области защиты от СЭМИ специфика проблемы проявляется также и в том, что эти исследования трудно поддаются экспериментальной проверке вследствие высокой стоимости и объемности самого эксперимента. Как частичный выход из этого положения, в исключительных случаях проводится имитационное моделирование СЭМИ с помощью мощных импульсных разрядников, подключенных непосредственно к кабелю. Однако такое подключение не может адекватно и с достаточной точностью повторить кондуктивные импульсные возмущения, возникающие в кабеле при индукционном воздействии реальных СЭМИ.

Для выхода из этой ситуации требуются нетрадиционные принципы соблюдения критериев подобия при имитации реальных СЭМИ с помощью относительно маломощных источников, а также новые схемотехнические и конструкторские решения.

Предлагаемый здесь принцип «интегрального импульса» основан на следующих трех одновременно выполняемых положениях:

  1. Имитирующий относительно маломощный (переносной) источник ЭМИ должен воздействовать на кабельный фрагмент электромагнитно-индукционным, волновым или комбинированным (можно дополнительно: отраженно-волновым) способом в соответствии с временными и пространственными критериями подобия для процессов преобразования индукционного ЭМИ (E(t); H(t)) в кондуктивный: uu(t) или iu(t).
  2. Непосредственное воздействие на электронный объект мощного индуцированного кондуктивного ЭМИ UЭМИ(t) IЭМИ(t) либо имитируется эквивалентной по суммарной энергии воздействия временной последовательностью из n менее мощных импульсов uu(t), либо iu(t) той же формы, причем:
  3. Энергия каждого из n имитационных импульсов должна превышать критический уровень начального необратимого разрушения микроструктур исследуемых электронных объектов:

Кроме того, одна из амплитудных величин импульса Um.u или Im.u должна превышать допустимый уровень соответствующей величины для этих объектов.

В качестве дополнительного примечания можно отметить еще одно положительное свойство такой имитации: при индикации и измерениях ЭМИ в наносекундных и микросекундном диапазонах можно использовать принцип измерения одним компаратором с последовательно-ступенчатым изменением порогового уровня (вместо m параллельных компараторов с различными пороговыми уровнями).

Исходной предпосылкой для указанного принципа имитации СЭМИ служат общеизвестные в механике аналогичные способы эквивалентной замены мощного однократного импульсного воздействия последовательностью из n менее мощных, но необратимо деформирующих или сдвигающих импульсов, например:

  • кузнечная ковка,
  • забивание свай и гвоздей,
  • вибрационная очистка труб,
  • вибрационное антиобледенительное воздействие (в том числе и электромагнитномеханическое) и т. п.

Указанный принцип позволяет создать высокоэффективный переносной испытательный имитатор индукционных СЭМИ в кабельных линиях электротехнических комплексов (с приемлемыми стоимостью и трудоемкостью испытаний).

Методика расчета составляющих ЭМИ в электромагнитно-индукционной камере имитатора

Расчетные схемы концентраторов ЭМИ с фигурным (а) и прямолинейным (б) кабельными фрагментами приведены на рис. 1. Для объединения двух математических моделей геометрические размеры первой схемы приведены в соответствие со второй. Суммарная ЭДС N ε(t), индуцируемая в кабельном фрагменте с общей длиной d N (N — число витков), имеет в общем случае две составляющие: ЭДС электромагнитной и электрической индукции εH(t) и εE(t), т. е.:

Первая составляющая ЭДС соответствует закону электромагнитной индукции Фарадея:

а также уравнениям Максвелла, записанным в дифференциальной форме:

или в интегральной форме:

где — плотность тока проводимости, — плотность тока смещения, ν — удельная проводимость.

Согласно вышеприведенным уравнениям

где E(t) = e(t)/t — напряженность квазиоднородного электрического поля в зоне концентратора, e(t) и J(t) — напряжение и ток импульсных генераторов (ГИН и ГИТ).

Вторая составляющая ЭДС соответствует закону Гаусса для электрического поля у поверхности проводника

что в интегральной форме, с учетом двух последовательно включенных проходных цилиндрических конденсаторов с емкостями 2С (рис. 1), определяет индуцируемую ЭДС, приближенно равную падению напряжения на кабельном фрагменте с параметрами L, r :

где i(t) определяется дифференциальным уравнением второго порядка

Для коротких импульсов приближенно можно с достаточно высокой точностью принять:

где KE = C/Cd , Cd = ε0εS/d.

Представляется возможным анализировать передаточные функции кабельного фрагмента отдельно для каждой из составляющих ЭДС.

На рис. 1в, г показаны эквивалентные электрические схемы кабельного фрагмента при активно-емкостной нагрузке RH – C0 для составляющих εH(t) и εE(t).

Рис. 1. Расчетные схемы концентраторов СЭМИ: а) с фигурным кабельным фрагментом; б) разъемного, с прямолинейным кабельным фрагментом; в, г) эквивалентные электрические схемы кабельного фрагмента при активно)емкостной нагрузке

На рис. 2а представлены ЛАХ L[W] = 20lg(W(jω)) для различных

На рис. 2б представлены ЛАХ L[W] = 20lg(W(jω)) при фиксированных K и T для различных

Рис. 2. ЛАХ кабельного фрагмента для электромагнитной (а) и электрической (б) составляющих

Литература

  1. Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Булеков В. П., Резников С. Б. Электротехническая совместимость электрооборудования автономных систем / Под ред. В. П. Булекова. М.: Энергоатомиздат. 1995.
  2. Булеков В. П., Резников С. Б., Болдырев В. Г. и др. Электротехническая совместимость оборудования ЛА / Под ред. В. П. Булекова. М.: Издательство МАИ. 1992.
  3. Брускин Д. Э., Зубакин С. Н. Самолеты с полностью электрифицированным оборудованием / Итоги науки и техники. Сер. Электрооборудование транспорта. Т. 6. М.: ВИНИТИ. 1986.
  4. Meppelink J. Elektromagnetishe Vertaglichkeit Elektrischer Einrichtungen, Elektronic (BRD), 1983.
  5. Мырова Л. О., Попов В. Д., Верхотусов В. И. Анализ стойкости систем связи к воздействию излучений. М.: Радио и связь. 1993.
  6. Kopp С. The E-bomb-a Weapon of Electronical Mass Destruction. Information Warfare: Thunder's month press. New York. 1996.
  7. Fulghum D. A. Microwave Weapons Await a Future War. Aviation Week and Space Technology. 1999.
  8. Heoberling R. F., Fazio M. V. Advances in Virtual Cathode Microwave Sources // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. Vol. 34. № 3. August, 1992.
  9. Панин В. В. Лабораторный практикум «Методы и средства измерения параметров импульсных электромагнитных процессов». М.: МИФИ. 1987.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке